染色质三维构象在精子发生中的研究进展

染色质是调节生物体遗传的重要物质,是维持细胞有序表达基因及蛋白质的重要载体。随着科学技术的不断进步,许多研究通过染色质构象捕获技术(High-Through Chromosome Conformation Capture,Hi-C)对染色质内部结构进行解析,对染色质区室、染色质疆域等有了更清晰的认识。在哺乳动物的精子发生过程中,染色质结构的改变对基因调控等起到了重要作用。精子发生是精原细胞增殖分化形成精子的过程,包括精原细胞的自我更新与分化、精母细胞的减数分裂以及精细胞的变形。本文主要阐述染色质三维构象捕获技术及其衍生技术、染色质的层级结构、精子发生过程中染色质三维构象变化的前沿进展,为精子发生的机制研究提供新思路。

基于染色质交互数据的基因组组装方法

伴随着高通量DNA测序技术的不断推陈出新和价格持续下调,如何将scaffolds定位于染色体逐渐成为完整参考基因组获得的关键。高通量染色质构象捕获技术(High-throughput chromosome conformation capture,简称Hi-C)的出现为基因组组装过程中scaffolds快速锚位提供了契机。相比于传统的基因组组装方法,基于染色质交互组装基因组的策略实验操作简易、实验和时间成本较低、正确率及分辨率高,在基因组相对复杂的多倍型和高度杂合的物种中有着更大的应用前景。但由于技术本身的限制,该方法还存在分辨率、背景噪声等问题需要解决,有待进一步改进和提高。

DLO Hi-C染色体构象捕获技术

基因组三维结构在DNA复制、DNA损伤修复、基因转录调控中扮演着重要的角色。Hi-C是目前研究基因组三维结构的主要手段之一,但是存在背景噪音大、试验成本高、试验流程繁琐,缺乏对随机连接噪音的评价等缺陷,因而限制了三维基因组学的发展。为此,我们开发了一种简单经济的染色体构象捕获技术,即DLO Hi-C(digestion-ligation-only Hi-C)。该技术去掉了生物素标记的步骤,只需要2轮简单的酶切酶连反应即可构建高质量的DLO Hi-C测序文库。为了评价文库中的随机连接噪音的比例,我们在文库构建步骤中加入了噪音评价的步骤。研究结果显示,与当前的in situ Hi-C等方法比较,我们的DLO Hi-C试验时间短、试验成本低、测序成本低,有更多的有效交互数据。将DLO Hi-C应用于肿瘤细胞系,我们找到了已知和新的基因组结构变异。所以,我们希望DLO Hi-C技术将对研究染色体的三维构象、基因的转录调控及基因组的组装有重要的促进作用。

基于Hi-C技术哺乳动物三维基因组研究进展

基因组DNA在细胞核中并不是呈线性的一字排列,而是以三维结构高度折叠并浓缩成染色质的方式储存于核内,具有特定的高级空间结构和构象。高通量染色体构象捕获(high-througnput chromosome conformationcapture, Hi-C)技术于2009年首次被提出,目前已得到大规模运用,使得人们对于三维基因组学有了更深刻的认识。研究表明,哺乳动物基因组三维层级结构单元由大到小依次为染色体疆域(chromosome territory, CT)、染色质区室(chromatin compartment A/B)、拓扑关联结构域(topological associated domain, TAD)和染色质环(chromatin loop),这些层级结构单元在基因转录和表达调控过程中发挥着重要作用。本文基于Hi-C技术从染色质的三维层级结构划分、构象单元作用以及三维基因组在发育、疾病等方面的应用进行阐述,旨在为更深入地了解哺乳动物三维基因组学研究提供参考。

三维基因组染色质构象捕获及其衍生技术

线性染色质经过多重折叠凝缩到真核生物的细胞核中,染色质的三维构象直接决定了真核生物的基因表达,因此染色质可以在局部或远程空间上发生互作调控基因转录。折叠成环状构象的染色质可以借助染色质构象捕获(Chromosome conformation capture,3C)技术来研究,基于3C技术扩展的4C/5C/Hi-C从单个位点延伸到全基因组捕捉三维构象,在此基础上,染色质构象核心技术可以与免疫共沉淀、核酸分子杂交、单细胞、基因组测序等技术偶联而产生新的衍生技术和应用,这极大地推动了染色质构象技术在基因时空特异性表达调控上的研究。文中将以3C和Hi-C等三维基因组核心技术为基础,重点介绍染色质构象捕获及其衍生技术的原理和前沿应用。

三维基因组学及其应用概述

基因组携带着生命体完整的遗传信息。人类基因组计划和DNA元件百科全书计划分别在一维和二维水平上研究了基因组序列、基因组结构及其调控组件。但是,对于基因组信息调控基因在特定时空中表达仍然知之甚少。基因组测序技术的发展催生了一门新兴学科——三维基因组学。本文就三维基因组学的诞生和发展、研究内容和技术以及应用前景进行综述。

染色质相互作用研究进展

真核生物的染色体如何发生复杂构象变化并组织成复杂的高级结构,仍是一个研究热点。染色体的这些结构特征和构象变化可通过了解染色质位点间的相互作用,即利用染色体(质)构象捕获(3C)及其衍生技术,如4C、5C、Hi-C和ChIA-PET等技术来研究。利用这些技术,已得到一些有关染色质相互作用与基因表达调控和细胞核内染色体组织结构的重要信息。如利用ChIA-PET技术,发现雌激素受体、RNA聚合酶Ⅱ、CTCF等一些转录因子都参与了染色质的长程相互作用,并同时在基因组水平鉴定了特定细胞中的一些相应的有调控潜能的DNA元件及其可能的调控基因。利用Hi-C及其他3C衍生技术,不但表明染色体在细胞核内占据着不同的染色体领域,而且发现染色体上有次级结构域如染色体区隔和染色体拓扑联合域。随着相关技术的完善和更多数据的获得,分析和整合这些数据将对生物信息学家提出更高的要求,同时也可以帮助我们更进一步了解染色体三维构象变化在不同环境下的变化规律,以及在基因转录调控、DNA复制和修复等重要过程中的作用。

核内RNA对真核细胞基因组三维高级结构的影响

目的:研究核内RNA与真核细胞基因组三维结构的关系,并探讨核内RNA对染色体高级结构如拓扑相关结构域(TAD)和A/B区室的影响。方法:利用全基因组染色质构象捕获(Hi-C)技术对正常GM12878细胞和经过RNase处理的GM12878细胞进行染色质相互作用的检测。结果:经RNase处理后,染色质的三维高级结构在整体上变得松散,染色体之间的相互作用增强(秩和检验P<0.05),A/B区室发生改变,并且相比于所有染色体,X染色体在A/B区室上的变化更大。同时,核内RNA的去除也让TAD边界的强度有所减弱(Vilcox校验P<0.05)。结论:核内RNA参与了真核细胞基因组三维高级结构的形成,并使TAD和A/B区室更加致密。

染色质构象解析技术——Hi-C及染色质构象信息提取

真核生物染色质在核内的空间组织形式能影响DNA的空间分布,因而对基因转录、DNA复制等生物学过程具有调节作用。目前对这种空间上高度有序的基因组结构的认识还是粗糙的、碎片式的和不完整的。近年,利用染色质构象捕获技术发展起来的衍生技术——Hi-C技术,是一种研究全基因组范围的染色质相互作用以及探明全基因组的三维结构的分析技术。利用Hi-C技术能够对染色质内部或所有染色质之间的相互作用进行精细分析,从而把基因表达调控引入到空间的、全局性的研究层面,为全面解析与DNA有关的生物学过程的机理开启新的契机。本文主要阐述染色质构象解析技术Hi-C的实验原理、数据处理以及染色质构象信息提取,包括染色质内相互作用情况分析、全基因组基因活性分类、拓扑关联结构域(TAD)和染色质环(chromatin loop),介绍染色质构象信息与基因调控研究方面的国际前沿进展。

三维基因组学研究进展

三维基因组学是一门研究基因组三维空间结构与功能的新兴学科,主要研究基因组序列在细胞核内的三维空间构象,及其对DNA复制、DNA重组、基因表达调控等生物过程的生物学效应。自染色质构象捕获技术(3C)出现后,三维基因组学相关研究领域飞速发展。借助于3C及其衍生技术、Hi-C和ChIA-PET等技术,科学家能对各类物种的三维基因组进行更为深入的研究,从而揭示微生物、植物和动物基因组的空间构象、染色质的相互作用模式、转录调控以及不同生物学性状的形成机制;挖掘与生命活动和疾病相关的关键基因和信号通路;推动农业科学、生命科学和医学等领域的快速发展。文中就三维基因组学研究进展作一综述,主要阐述三维基因组学的概念和研究技术的发展及其在农业科学、生命科学和医学等领域的应用,尤其是肿瘤领域所取得的阶段性研究成果。